CN105529929B - 多相变换器及用于多相变换器的自动相位调整电路和方法 - Google Patents

多相变换器及用于多相变换器的自动相位调整电路和方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种多相变换器及用于多相变换器的自动相位整电路和方法。所述多相变换器包括并联耦接在输入端口和输出端口之间的n相DC‑DC变换器、自动相位调整电路和逻辑控制电路。所述多相变换器快速响应了负载的变化，优化了效率。

Description

多相变换器及用于多相变换器的自动相位调整电路和方法
技术领域
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种多相变换器及用于多相变换器的自动相位调整电路和方法。
背景技术
直流-直流(DC-DC)变换器是一种将输入电压转化成比输入电压小的输出电压(降压变换器)或者转化成比输入电压大的输出电压(升压变换器)的电压变换器。将多个DC-DC变换器并联在一起可以形成多相变换器，其中每个DC-DC变换器提供不同相位的输出电压。
在多相变换器中，为了优化效率，通常需要进行自动相位调整(auto-phaseshedding)。现有自动相位调整技术将多个DC-DC变换器的总电流(即负载电流)与多个不同阈值进行比较，从而在该总电流高于相应阈值一定时间(该时间通常设为50-500微秒)后，执行相位添加(将某一相DC-DC变换器添加进功率电路)；或者在该总电流低于相应阈值一定时间后，执行相位丢弃(将某一相DC-DC变换器移除出功率电路)。
具体来说，控制器接收多相变换器输出的总电流，并将该总电流与预定的电流阈值相比较，当该总电流小于电流阈值下限时，减少功率运行的相数；当该总电流大于电流阈值上限时，增加功率运行的相数。由于该总电流存在较大的干扰，因此需要先用滤波器将其纹波滤除，该滤波产生了所述50-500微秒的时间延迟。当负载(如英特尔中央处理器，IntelCPU)出现持续的快速跳变时，系统不能及时暂态响应负载的变化，使得效率降低。
发明内容
因此本发明的目的在于减小自动相位调整的响应时间，提出一种快速响应负载、效率优化的多相变换器及用于多相变换器的自动相位调整电路和方法。
根据本发明的实施例，提出了一种多相变换器，包括：输入端口，接收输入电压；输出端口，提供输出电压；并联耦接在输入端口和输出端口之间的n相DC-DC变换器，该n相DC-DC变换器分别接收n相逻辑信号，并在相应的逻辑信号的控制下进入运行或者暂停运行，其中n为自然数，n≥2；自动相位调整电路，接收表征流过各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号、相位添加阈值和相位丢弃阈值，产生相位增加指令和相位丢弃指令；逻辑控制电路，耦接至自动相位调整电路接收相位增加指令和相位丢弃指令，产生所述n相逻辑信号；其中：当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号均大于相位添加阈值时，增加当前运行的DC-DC变换器的相数；当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号均小于相位丢弃阈值时，减少当前运行的DC-DC变换器的相数。
根据本发明的实施例，还提出了一种用于多相变换器的自动相位调整电路，所述多相变换器包括并联耦接在输入端口和输出端口之间的n相DC-DC变换器，其中各相DC-DC变换器分别接收逻辑信号，并在相应的逻辑信号的控制下进入运行或者暂停运行，其中n为自然数，n≥2；所述自动相位调整电路接收表征流过各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号、相位添加阈值和相位丢弃阈值，产生相位增加指令和相位丢弃指令；其中当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号均大于相位添加阈值时，所述相位增加指令指示增加当前运行的DC-DC变换器的相数；当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号均小于相位丢弃阈值时，所述相位丢弃指令指示减少当前运行的DC-DC变换器的相数。
根据本发明的实施例，还提出了一种用于多相变换器的自动相位调整的方法，所述多相变换器包括n相DC-DC变换器，所述方法包括：提供表征流过各相DC-DC变换器电流的电流采样信号；比较各电流采样信号与相位添加阈值的大小：当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器电流的电流采样信号均大于相位添加阈值时，增加当前运行的DC-DC变换器的相数；比较各电流采样信号与相位丢弃阈值的大小：当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器电流的电流采样信号均小于相位丢弃阈值时，减少当前运行的DC-DC变换器的相数。
根据本发明各方面的上述多相变换器及用于多相变换器的自动相位调整电路和方法，快速响应了负载的变化，并优化了效率。
附图说明
图1为根据本发明实施例的多相变换器100的电路结构示意图；
图2示出根据本发明实施例的多相变换器100中自动相位调整电路103的电路结构示意图；
图3示出根据本发明实施例的多相变换器200的电路结构示意图；
图4示意性示出了根据本发明实施例的用于多相变换器的自动相位调整的方法流程图300。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图1为根据本发明实施例的多相变换器100的电路结构示意图。在图1所示实施例中，所述多相变换器100包括：输入端口101，接收输入电压Vin；输出端口102，提供输出电压VO；输出电容105，耦接在输出端口102和参考地之间；并联耦接在输入端口101和输出端口102之间的n相DC-DC变换器(10-1、10-2、……、10-n)，其中各相DC-DC变换器10-i分别接收逻辑信号PWMi(如第一相DC-DC变换器10-1接收第一逻辑信号PWM1、第二相DC-DC变换器10-2接收第二逻辑信号PWM2、……、第n相DC-DC变换器接收第n逻辑信号PWMn)，并在相应的逻辑信号PWMi的控制下进入功率运行(DC-DC变换器被添加进功率电路，以将输入端口的功率传送至输出端口)或者暂停功率运行(DC-DC变换器被移除出功率电路，不参与将输入端口的功率传送至输出端口)，其中n和i均为自然数，n≥2，1≤i≤n；自动相位调整电路103，接收表征流过各相DC-DC变换器(10-1、10-2、……、10-n)的电流的电流采样信号Ip1、Ip2、……、Ipn，以及相位添加阈值Iref1和相位丢弃阈值Iref2，产生相位增加指令Cadd和相位丢弃指令Cdrop；逻辑控制电路104，耦接至自动相位调整电路103接收相位增加指令Cadd和相位丢弃指令Cdrop，产生所述n相逻辑信号PWM1～PWMn；其中：当表征流过当前功率运行中的各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号Ipi均大于相位添加阈值Iref1时，相位增加指令Cadd指示逻辑控制电路104增加有效的逻辑信号，从而增加当前功率运行的DC-DC变换器的相数；当表征流过当前功率运行中的各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号Ipi均小于相位丢弃阈值Iref2时，相位丢弃指令Cdrop指示逻辑控制电路104减少有效的逻辑信号，从而减少当前运行的DC-DC变换器的相数。
各相DC-DC变换器在逻辑信号PWMi的控制下错相运行，运行的相角为360除以当前处于功率运行的相数。在一个实施例中，n＝6。在多相变换器100运行时，假定当前有4相DC-DC变换器处于功率运行中(即每相运行90度相角)：如果负载突然变大(如输出电流突然从80mA跳变至200mA)，则流过该4相DC-DC变换器的电流也快速变大，自动相位调整电路103比较表征流过该当前运行的4相DC-DC变换器的电流的电流采样信号与相位添加阈值Iref1的大小，判断出此时系统需要增加功率运行的DC-DC变换器的相数，于是相位增加指令Cadd指示逻辑控制电路104增加有效的逻辑信号的数量，使得当前运行的DC-DC变换器相数增加至5相(此时每相运行72度相角)。相应地，流过各相DC-DC变换器的电流被分担而有所减小。若相数增加后各电流采样信号依旧大于相位添加阈值Iref1，则相位增加指令Cadd继续指示逻辑控制电路104增加有效的逻辑信号的数量，使得当前运行的DC-DC变换器相数增加至6相。
相反地，如果负载突然变小(如输出电流突然从100mA降至60mA)，则流过该4相DC-DC变换器的电流也变小，自动相位调整电路103比较表征流过该当前运行的4相DC-DC变换器的电流的电流采样信号与相位丢弃阈值Iref2的大小，判断出此时系统需要减少功率运行的DC-DC变换器的相数，于是相位丢弃指令Cdrop指示逻辑控制电路104减少有效的逻辑信号的数量，使得当前运行的DC-DC变换器相数减少至3相。相应地，流过各相DC-DC变换器的电流由于被集中而有所增大。若相数减少后各电流采样信号Ipi依旧小于相位丢弃阈值Iref2，则相位丢弃指令Cdrop继续指示逻辑控制电路104减少有效的逻辑信号的数量，使得当前运行的DC-DC变换器相数减少至2相。
上述过程一直持续，直到流过当前运行的DC-DC变换器的电流在预设范围之内。
多相变换器100通过实时比较各相DC-DC变换器的电流大小，判断系统是否需要增加或者减少处于功率运行的相数，以快速响应负载变化，该响应的最长延迟时间为1个开关周期，大大短于50-500微秒。因此根据本发明实施例的多相变换器100大大优化了整体效率。
图2示出根据本发明实施例的多相变换器100中自动相位调整电路103的电路结构示意图。在图2所示实施例中，所述自动相位调整电路103包括：n个添加比较器(31～3n)，其中每个添加比较器(31～3n)均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收相应的电流采样信号Ipi(如Ip1、Ip2、……、Ipn)，第二输入端接收相位添加阈值Iref1，所述添加比较器(31～3n)比较相应的电流采样信号Ipi和相位添加阈值Iref1的大小，在其输出端产生相应的添加比较信号CAi(CA1～CAn)；n个丢弃比较器(41～4n)，其中每个丢弃比较器(41～4n)均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收相应的电流采样信号Ipi(如Ip1、Ip2、……、Ipn)，第二输入端接收相位丢弃阈值Iref2，所述丢弃比较器(41～4n)比较相应的电流采样信号Ipi和相位丢弃阈值Iref2的大小，在其输出端产生相应的丢弃比较信号CDi(CD1～CDn)；n个添加锁存电路(51～5n)，具有置位输入端S、复位输入端R和输出端Q，其中置位输入端S具有支配地位(即置位输入端S的优先级高于复位输入端R)，该置位输入端S耦接至相应添加比较器3i的输出端接收添加比较信号CAi，复位输入端R接收相应的逻辑信号PWMi，输出端产生相应的添加锁存信号QAi(QA1～QAn)；n个丢弃锁存电路(61～6n)，具有置位输入端S、复位输入端R和输出端Q，其中置位输入端S具有支配地位，该置位输入端S耦接至相应的丢弃比较器(41～4n)的输出端接收丢弃比较信号CDi，复位输入端R接收相应的逻辑信号PWMi，输出端产生相应的丢弃锁存信号QDi(QD1～QDn)；添加与门电路71，接收n个添加锁存信号(QA1～QAn)，并对n个添加锁存信号(QA1～QAn)进行逻辑与运算，产生所述相位增加指令Cadd；丢弃与门电路72，接收n个丢弃锁存信号(QD1～QDn)，并对n个丢弃锁存信号(QD1～QDn)进行逻辑与运算，产生所述相位丢弃指令Cdrop。
在一个实施例中，添加锁存电路5i和丢弃锁存电路6i的复位输入端R均为上升沿触发，即添加锁存电路5i和丢弃锁存电路6i的复位输入端R响应逻辑信号PWMi的上升沿，将其输出的添加锁存信号QAi、和丢弃锁存信号QDi分别复位。
在多相变换器100运行时，添加比较器3i比较电流采样信号Ipi与相位添加阈值Iref1的大小，当电流采样信号Ipi大于相位添加阈值Iref1时，添加比较信号CAi变为高电平，从而置位添加锁存电路5i，使添加锁存信号QAi变为高电平，直至相应有效的逻辑信号PWMi到来，将添加锁存电路5i的输出复位。而由于添加锁存电路5i的置位输入端S具有支配位置，只要添加比较信号CAi为高电平，即使逻辑信号PWMi的上升沿来临，添加锁存信号QAi也保持为置位状态，保持高电平。当各添加锁存电路5i输出的添加锁存信号QAi均为高电平时，添加与门电路71输出的相位增加指令Cadd变为高电平，从而指示逻辑控制电路104增加有效的逻辑信号PWMi的数量，使得当前运行的DC-DC变换器相数增多。丢弃比较器4i比较电流采样信号Ipi与相位丢弃阈值Iref2的大小，当电流采样信号Ipi小于相位丢弃阈值Iref2时，丢弃比较信号CDi变为高电平，从而置位丢弃锁存电路6i，使丢弃锁存信号QDi变为高电平，直至相应有效的逻辑信号PWMi到来，将丢弃锁存电路6i的输出复位。由于丢弃锁存电路6i的置位输入端S具有支配位置，只要丢弃比较信号CDi为高电平，即使逻辑信号PWMi的上升沿来临，丢弃锁存信号QDi也保持为置位状态，保持高电平。当各丢弃锁存电路6i输出的丢弃锁存信号QDi均为高电平时，丢弃与门电路72输出的相位丢弃指令Cdrop变为高电平，从而指示逻辑控制电路104减少有效的逻辑信号PWMi的数量，使得当前运行的DC-DC变换器相数减少。
由于锁存电路(51～5n，61～6n)的存在，当前未处于功率运行的DC-DC变换器的电流信息被锁住。因此，自动相位调整电路103表征了当前处于功率运行的DC-DC变换器的实时电流大小，从而快速地判断并响应负载的变化，优化了效率。
图3示出根据本发明实施例的多相变换器200的电路结构示意图。图3所示多相变换器200与图2所示多相变换器100相似，与图2所示实施例不同的是，在图3所示实施例中，所述多相变换器200还包括：电压比较电路106，接收输出电压VO和电压阈值，产生满相位指令Cfull至逻辑控制电路104。当输出电压VO小于电压阈值时，满相位指令Cfull指示逻辑控制电路104，使能所有的逻辑信号PWM1～PWMn，使系统处于满相运行模式，即各相DC-DC变换器均参与功率运行。在一个实施例中，电压阈值可编程，如电压阈值可由稳定的电压参考信号Vref叠加可编程的电压偏置信号Voff，例如：Vref-Voff。
在多相变换器200运行时，假定当前只有少数相DC-DC变换器处于功率运行中，而大部分DC-DC变换器均处于空闲(idle)状态。如果负载突然出现急剧的正跳变，则自动相位调整电路103一相一相增加的指令满足不了负载急剧跳变的变化要求，输出电压VO将会急速变小。当输出电压VO小于电压阈值时，电压比较电路106产生的满相位指令Cfull经由逻辑控制电路104后，指示系统满相位运行，从而快速补偿由负载急剧跳变引起的电流骤增、电压骤降。因此，多相变换器200进一步优化了效率。
图4示意性示出了根据本发明实施例的用于多相变换器的自动相位调整的方法流程图300，所述多相变换器包括n相DC-DC变换器。所述方法包括：
步骤301，提供表征流过各相DC-DC变换器电流的电流采样信号(Ip1～Ipn)。
步骤302，比较各电流采样信号(Ip1～Ipn)与相位添加阈值Iref1的大小：当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器电流的电流采样信号(Ip1～Ipn)均大于相位添加阈值Iref1时，进入步骤303。
步骤303：增加当前运行的DC-DC变换器的相数。
步骤304：比较各电流采样信号(Ip1～Ipn)与相位丢弃阈值Iref2的大小：当表征流过当前功率运行中的各相DC-DC变换器电流的电流采样信号(Ip1～Ipn)均小于相位丢弃阈值Iref2时，进入步骤305。
步骤305：减少当前运行的DC-DC变换器的相数。
在一个实施例中，所述方法还包括：当多相变换器的输出电压小于电压阈值时，使各相DC-DC变换器均参与功率运行。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种多相变换器，包括：
输入端口，接收输入电压；
输出端口，提供输出电压；
并联耦接在输入端口和输出端口之间的n相DC-DC变换器，其中该n相DC-DC变换器分别接收n相逻辑信号，并在相应的逻辑信号的控制下进入运行或者暂停运行，其中n为自然数，n≥2；
自动相位调整电路，接收表征流过各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号、相位添加阈值和相位丢弃阈值，产生相位增加指令和相位丢弃指令；
逻辑控制电路，耦接至自动相位调整电路，接收相位增加指令和相位丢弃指令，产生所述n相逻辑信号；其中：
当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号均大于相位添加阈值时，增加当前运行的DC-DC变换器的相数；
当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号均小于相位丢弃阈值时，减少当前运行的DC-DC变换器的相数。
2.如权利要求1所述的多相变换器，其中所述自动相位调整电路包括：
n个添加比较器，其中每个添加比较器均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收相应的电流采样信号，第二输入端接收相位添加阈值，所述添加比较器比较相应的电流采样信号和相位添加阈值的大小，在其输出端产生相应的添加比较信号；
n个丢弃比较器，其中每个丢弃比较器均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收相应的电流采样信号，第二输入端接收相位丢弃阈值，所述丢弃比较器比较相应的电流采样信号和相位丢弃阈值的大小，在其输出端产生相应的丢弃比较信号；
n个添加锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其中置位输入端具有支配地位，该置位输入端耦接至相应添加比较器的输出端接收添加比较信号，复位输入端接收相应的逻辑信号，输出端产生相应的添加锁存信号；
n个丢弃锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其中置位输入端具有支配地位，该置位输入端耦接至相应的丢弃比较器的输出端接收丢弃比较信号，复位输入端接收相应的逻辑信号，输出端产生相应的丢弃锁存信号；
添加与门电路，接收n个添加锁存信号，产生所述相位增加指令；
丢弃与门电路，接收n个丢弃锁存信号，产生所述相位丢弃指令。
3.如权利要求2所述的多相变换器，其中所述添加锁存电路和丢弃锁存电路的复位输入端均为上升沿触发。
4.如权利要求1所述的多相变换器，还包括：
电压比较电路，接收输出电压和电压阈值，产生满相位指令至逻辑控制电路。
5.一种用于多相变换器的自动相位调整电路，所述多相变换器包括并联耦接在输入端口和输出端口之间的n相DC-DC变换器，其中各相DC-DC变换器分别接收逻辑信号，并在相应的逻辑信号的控制下进入运行或者暂停运行，其中n为自然数，n≥2；所述自动相位调整电路接收表征流过各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号、相位添加阈值和相位丢弃阈值，产生相位增加指令和相位丢弃指令；其中
当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号均大于相位添加阈值时，所述相位增加指令指示增加当前运行的DC-DC变换器的相数；
当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器的电流的电流采样信号均小于相位丢弃阈值时，所述相位丢弃指令指示减少当前运行的DC-DC变换器的相数。
6.如权利要求5所述的自动相位调整电路，包括：
n个添加比较器，其中每个添加比较器均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收相应的电流采样信号，第二输入端接收相位添加阈值，所述添加比较器比较相应的电流采样信号和相位添加阈值的大小，在其输出端产生相应的添加比较信号；
n个丢弃比较器，其中每个丢弃比较器均具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端接收相应的电流采样信号，第二输入端接收相位丢弃阈值，所述丢弃比较器比较相应的电流采样信号和相位丢弃阈值的大小，在其输出端产生相应的丢弃比较信号；
n个添加锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其中置位输入端具有支配地位，该置位输入端耦接至相应添加比较器的输出端接收添加比较信号，复位输入端接收相应的逻辑信号，输出端产生相应的添加锁存信号；
n个丢弃锁存电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，其中置位输入端具有支配地位，该置位输入端耦接至相应的丢弃比较器的输出端接收丢弃比较信号，复位输入端接收相应的逻辑信号，输出端产生相应的丢弃锁存信号；
添加与门电路，接收n个添加锁存信号，产生所述相位增加指令；
丢弃与门电路，接收n个丢弃锁存信号，产生所述相位丢弃指令。
7.如权利要求6所述的自动相位调整电路，其中所述添加锁存电路和丢弃锁存电路的复位输入端均为上升沿触发。
8.一种用于多相变换器的自动相位调整的方法，所述多相变换器包括n相DC-DC变换器，所述方法包括：
提供表征流过各相DC-DC变换器电流的电流采样信号；
比较各电流采样信号与相位添加阈值的大小：当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器电流的电流采样信号均大于相位添加阈值时，增加当前运行的DC-DC变换器的相数；
比较各电流采样信号与相位丢弃阈值的大小：当表征流过当前运行中的各相DC-DC变换器电流的电流采样信号均小于相位丢弃阈值时，减少当前运行的DC-DC变换器的相数。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：
当多相变换器的输出电压小于电压阈值时，使各相DC-DC变换器均参与运行。
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